Изучи принятые постулаты материаловедения и сделай всё наоборот – кажется, именно под этим девизом развивалось направление никелевой жаропрочки – класса материалов, играющих огромную роль при конструировании авиационного двигателя (и не только).
Начнём с того, что сам никель – основа жаропрочных сплавов, которым посвящена заметка – долгое время считался чем-то бессмысленным: то ли полуметалл, то ли сплав… да и какая разница, бесполезный же. Даже само его название – nickel – переводится с немецкого как «злобный дух». Уж очень горняков раздражала ничего не стоящая на тот момент никельсодержащая руда, схожая по внешнему виду с медной. А спустя всего пару столетий люди ради этого «недометалла» построили за полярным кругом целый город, добывающие и перерабатывающие производства, железные дороги…
Но довольно о никеле. Тем более, что не меньшую роль в жаропрочности наших сплавов играет ещё один элемент – алюминий. Тот самый, у которого температура плавления 660 градусов, спросите вы? Ну да, ну да, знаем мы эту вашу секретность: публикуете статейки о том, что добавляете в жаропрочные сплавы легкоплавкий элемент, а на самом деле скрываете истинный состав своих суперсплавов… А чтобы всех запутать, придумали, будто бы никель с алюминием образует интерметаллидное соединение Ni3Al, прочность которого увеличивается с ростом температуры, ха-ха.
Кстати, «суперсплавы» – не отсебятина от автора, а вполне себе официальный термин. Superalloys – именно так называют жаропрочные сплавы в научной литературе на английском языке. Ну а у нас всё гораздо скромнее: жаропрочные никелевые сплавы, ЖНС. Первые такие сплавы представляли собой систему никель-хром-алюминий, которая в дальнейшем обрастала дополнительными легирующими элементами. И сначала все эти материалы обрабатывались исключительно давлением: все детали изготавливались методом деформации, поскольку технологии литья в то время оставляли желать лучшего. А вот деформация – это надёжно. Тонный пресс не может быть ненадежным! Но сделать таким образом сложную форму и, тем более, охлаждаемую лопатку, практически невозможно. Да и технология накладывала свои ограничения на возможности легирования…
И материаловеды – а конкретно в нашей стране это был Сергей Тимофеевич Кишкин – предложили перейти от штамповки к литью. Конструктора были не в восторге: звучали обвинения во вредительстве и заявления, что Кишкин «тянет авиацию в авантюру»… но всё же литейные ЖНС постепенно получили признание и позволили увеличить рабочую температуру в турбине.
В том числе благодаря изменению структуры материала. Учёные снова взяли широко известный постулат, что наибольшую прочность обеспечивает мелкозернистая структура, и сделали всё наоборот. Не будем останавливаться на вопросе, откуда в металле зёрна, поскольку об этом прекрасно написал Ножовский в своей заметке. Просто поверьте, что они там есть, и их должно быть много. Но только не в лопатках газотурбинных двигателей! Там их должно быть как можно меньше, в идеале – одно зерно размером с лопатку. Или, на крайний случай, несколько, но вытянутых в одном направлении. В общем, как на приложенной к заметке картинке. Благодаря такой структуре можно добиться повышения характеристик длительной прочности в нужном направлении.
И это отлично работает. Параллельно материаловеды усложняли системы легирования и вдохновлялись чужими разработками (так же, как это происходит практически в любой другой отрасли: от автопрома до индустрии игр). А потом наступил бешеный двадцать первый век с бешеными идеями. Гуманитарии придумали сотни гендеров и ролей, технари – печатать детали на 3D-принтерах (в том числе и металлические, и работающие при четырехзначных температурах!) Наверное, смотря на попытки сделать особо ответственную деталь двигателя методом селективного лазерного сплавления, учёные мужи, когда-то протестующие против всего-то литых лопаток, переворачиваются в гробу. Но прогресс неумолим.
Автор: Со Луцкая.